ANALIZA NUMERYCZNA KONTENERÓW TRANSPORTOWYCH W ASPEKCIE ICH MOŻLIWOŚCI OCHRONNYCH PRZED WYBUCHEM

Transkrypt

1 Logistyka - nauka Leszek Flis 1 ANALIZA NUMERYCZNA KONTENERÓW TRANSPORTOWYCH W ASPEKCIE ICH MOŻLIWOŚCI OCHRONNYCH PRZED WYBUCHEM Wstęp W dobie działań terrorystycznego na świecie zwraca się szczególną uwagę na przygotowywanie społeczeństwa do mogących nastąpić zagrożeń. Powraca się do nauki i przygotowuje ludzi do postępowania w określonym typie zagrożenia, pomaga ludziom w różnego rodzaju klęskach i katastrofach. Specjalną rolę przywiązuje się do przekazywania wiedzy o zagrożeniach dzieciom i młodzieży. Jednym z najbardziej obszernych i wiarygodnych źródeł w zakresie raportowania o zagrożeniach, planowania i zarządzania działaniami związanymi z zapobieganiem katastrofom i klęskom żywiołowym oraz łagodzeniem ich skutków jest amerykańska Federalna Agencja Zarządzania Kryzysowego (ang. Federal Emergency Management Agency FEMA) powołana w 1979 roku. FEMA rozpoczęła wdrażanie Zintegrowanego Systemu Zarządzania Kryzysowego (ang. Integrated Emergency Management System) uwzględniającego wszystkie zagrożenia - od niewielkich do krańcowych takich jak atak terrorystyczny czy wojna. Zagrożenia opisywane przez FEMA są bardzo szerokim i dokładnym źródłem informacji ale o charakterze ogólnym do wykorzystania przez sztaby antykryzysowe np. do oceny wielkości obszaru w celu jego zabezpieczenia lub ewakuacji przy zagrożeniu. Przykładowe informacje podawane przez FEMA podano na Rys. 1, które wskazują informacyjnie bezpieczne odległości przy zagrożeniu wybuchem lub skutki oddziaływania ładunku TNT w funkcji odległości (Rys. 2). W raportach FEMA jest wiele podobnych informacji bardzo praktycznych ale nie podają one wiedzy szczegółowej. W niektórych przypadkach podawane dane wydają się niespójne. W raportach FEMA (Rys. 3) podaje się, że totalną destrukcję dla budynków w ekstremalnych warunkach może spowodować oddziaływanie ciśnienia 0,7 at. 1 dr inż. Leszek Flis,,Akademia Marynarki Wojennej w Gdyni 636 Rys. 1. Odległość bezpieczna ewakuacji przy zagrożeniu wybuchem Źródło: Rys. 2. Orientacyjny zasięg ładunków TNT w funkcji odległości i skutki oddziaływania efektu wybuchu Źródło:

2 Logistyka - nauka zwiększenia świadomości o zagrożeniach oraz skuteczniejszej przed nimi ochrony w logistyce. Rys. 4. Kontenerowiec m/v Ital Florida po zdarzeniu. Źródło: [1] Rys. 3. Wartość fali ciśnienie w zależności od masy ładunku TNT i odległości od wybuchu Źródło: Raporty FEMA są najbardziej wiarygodnym i obszernym źródłem informacji ale powinny być uzupełniane o konkretne przypadki wybuchu i jego skutki oddziaływania choćby z wykorzystaniem symulacji komputerowych. Dlatego też w artykule podjęto się przedstawienia symulacji oddziaływania wybuch w kontenerze i pokazano jego efekty co może przyczynić się do uzupełniania raportów takich jak FEMA lub innych. Przedmiot badań Bezpieczeństwo transportu kontenerów szczególnie na statkach morskich zostało wyczerpująco podane w pracy [1] z podaniem przedsięwzięć zmniejszających zagrożenia. W pracy [1] przedstawiono zagrożenia związane np. z utratą stateczności (Rys. 4) czy pożarem (Rys.5) w aspekcie bezpieczeństwa całego kontenerowca a nie analizowano jego wytrzymałości od wybuchu. Analiza odporności kontenerów na wybuch wydaje się być uzasadniona głównie dla Rys. 5. Kontenerowiec m/v Ital Florida po zdarzeniu. Źródło: [1] Logistyka szczególnie globalna to obszar gdzie zagrożenie wybuchem staje się codziennym problemem. Przewozy w kontenerach stały się oczywistością a zarazem idealnym środkiem do przenoszenia ładunków wybuchowych. Ukryte i przewożone, nawet zgodnie z prawem np. w ramach akcji humanitarnych w pojedynczych kontenerach, kontenerowcach, czy konwojach ładunki niebezpieczne po ich dystrybucji logistycznej w głąb kraju lub za granicę mogą stanowić dogodne miejsca dla zrealizowania łatwego do przewidzenia scenariusza zagrożenia terrorystycznego. W literaturze nie spotyka się analiz odporności kontenerów na wybuch i ich możliwości ochronnych. W pracy przeprowadzono symulację komputerową 637

3 Logistyka - nauka wybuchu dla pojedynczego kontenera jak również dla grupy załadunkowej np. na kontenerowcu. Wskazano skalę jak i strefę zniszczenia oddziaływania ładunku od kg TNT. Kontenery posiadają wiele zalet w aspekcie przewozu towarów ale (dla równowagi w przyrodzie) mają zasadniczo same słabe punkty w zakresie zagrożenia wybuchem i są idealnym środkiem do ukrycia i przemieszczenia ładunków wybuchowych. W aspekcie raportu FEMA nie dowiemy się co się stanie jeśli w kontenerze wybuchnie ładunek TNT. Jaka masa TNT spowoduje jakie zniszczenia i jak będzie ono ukierunkowane. Nie wiadomo co się stanie, gdy ładunek wybuchowy będzie w środku obiektu czy w jego rogu na podłodze i zasadniczo czy kontener jako opakowanie ładunku wybuchowego ma jakieś właściwości ochronne a jeśli tak to o jaką masę TNT chodzi? Na powyższe pytania odpowiadają symulacje komputerowe Metody Elementów Skończonych, których wyniki mają dokładność błędu inżynierskiego i z powodzeniem mogą być wykorzystywane w logistyce do prognozowania zagrożeń czego przykładem jest ten artykuł. W pierwszym momencie dla niespecjalisty trudno oszacować masę TNT i odległość z jego skutkami a już na pewno nie przypisać temu zjawisku wartość ciśnienia. Poniżej zostanie podane kilka przykładów do których będzie można odnieś wyniki przedstawione w symulacji komputerowej. Przykłady odnoszą się tylko do typowych zagrożeń terrorystycznych, które obecnie spotykamy - a nie działań wojennych, gdzie praktycznie dysponujemy nieograniczoną siłą zniszczenia i jakiekolwiek analizy w takich przypadkach nie mają sensu. Zagrożenia ze względy na odległości najlepiej sklasyfikować dla wartości 1, 50, 500 m a masy ładunków wybuchowych w ekwiwalencie TNT jako 1, 20, i 6000 kg natomiast towarzyszące ww. wartością ciśnienia to atmosfer. Dla przykładu samolot rujnujący WTC w 1993 roku to odpowiednik oddziaływania 817 kg TNT. Zdarzenie określane mianem Oklahoma bomb z 1995 to działanie ekwiwalentu TNT o masie 1814 kg w podziemiach budynku (stand off 4,5 m) (Rys. 6). Zakupione 6000 kg nawozów azotowych przez Andreasa Behringa Breivika pozwoliło przygotować i zdetonować w 2011 roku ładunek o ekwiwalencie 950 kg TNT a przygotowany był ładunek gotowy do użycia 1800 kg TNT. Człowiek stojący w wodzie odczuwa silny ból przy oddziaływaniu fali ciśnienia atm 638 działającej z odległości 4-8 metrów wywołanej 12 kg TNT, ale połączenia nerwowe mogą ulegają uszkodzeniu przy oddziaływaniu impulsu 0,2 atm. Błona bębenkowa pęknie przy nagłym nadciśnieniu 1 atm a uszkodzenie narządów wewnętrznych nastąpi przy przekroczeniu 15 atm. Powyższe przykłady to kombinacja masy TNT, odległości i otoczenia i pokazują, że zagrożenie od wybuch jest funkcją wszystkich tych trzech czynników i konieczne i nie zawsze duże ciśnienie, które spowoduje uszkodzenia i na odwrót. Rys. 6. Efekt zniszczenia w tzw. zdarzeniu określanym mianem Oklahoma bomb r. Źródło: W powyższym aspekcie w świetle przykładów przeanalizowano skutki odziaływania ładunku TNT umieszczonego w typowym dla logistyki kontenerze typu 1CC, którego dane są ogólnie dostępne (Rys. 7). Rys. 7. Model CAD rozpatrywanego kontenera 1CC Źródło:

4 Logistyka - nauka Symulacja komputerowa wybuchu w kontenerze Podstawy teoretyczne ze względu na ograniczenia wydawnicze nie będą przedstawiane i również dla tego, że są dziś dobrze znane i opisane a wszystkie sprowadzają się do opisu fali ciśnienia równaniem Friedlandera [1-4], co również zostało zastosowane w pracy. Metody modelowania numerycznego oprócz metody Smoothed Particle Hydrodynamics SPH, bazują głównie na Metodzie Elementów Skończonych MES, tu również użytej. Modelowanie numeryczne wybuchu wyczerpująco opisane jest m. in. w pozycjach [5-6], a metody możliwe do zastosowania to Multi-Material Arbitrary Lagrangian-Eulerian Method MM-ALE lub metoda Lagrange a. Do symulacji wybuch w kontenerze wybrano drugą metodę. Na rysunku 8 przedstawiono model dyskretny kontenera do wykorzystany do symulacji MES. Parametry modelu odpowiadają zadaniom numerycznym explicite, a stopnie swobody odpowiadają tym, które kontener posiada przy zablokowanych drzwiach spoczywając na betonie. Uwzględniono trwałe połączenia ścian kontenera z jego ramą. Ładunek wybuchowy został zamodelowany centralnie wewnątrz kontenera. Wyniki symulacji komputerowych Realizowana symulacja MES należy do większych zadań obliczeniowych, wymaga silnych komputerów i większych od standardowych czasów obliczeń. Przedstawione wyniki można zaliczyć do jednych z bardziej zaawansowanych, które realizuje się dzisiaj z wykorzystaniem najnowszych technik obliczeniowych. Symulację przeprowadzono dla jednego kontenera (Rys. 8) oraz grupy załadunkowej w liczbie 27 sztuk (Rys. 9). Rys. 9. Model dyskretny grupy załadunkowej kontenerów 27 Pierwszą symulację przeprowadzono dla masy 100 kg TNT. Ciśnienie maksymalne od wybuchy w takim przypadku wyniosło pmax=200 MPa, a efektem jest całkowite zniszczenie kontenera (Rys. 10). Rys. 8. Model dyskretny kontenera wykorzystany do symulacji MES Rys. 10. Zniszczenie kontenera przy ładunku 100 kg TNT Jeśli badanie numeryczne wykazuje destrukcję jednego kontenera to czy zakończy się ona w jego granicach czy ma większy zasięg. Odpowiedź na to pytanie dała symulacja grupy załadunkowej 27 kontenerów przedstawionej na rysunku 9. W tym 639

5 Logistyka - nauka przypadku zasięg wybuchu obejmuje swoimi skutkami obszar od m, więc objąłby grupę załadunkową 600 kontenerów. Symulacji dla większych ładunków już nie przeprowadzano bo była bezcelowa. Rys. 13. Częściowe uszkodzenie kontenera ładunku 1 kg TNT przy Wartości 0,5 kg TNT i mniej, w efekcie nie powodują perforacji kontenera tylko jego odkształcenie (Rys. 14) przy ciśnieniu maksymalnym pmax=6,5 MPa Rys. 11. Początkowa faza zniszczenia 27 kontenerów przy ładunku 100 kg TNT Dalsze symulacje prowadzono w kierunku poszukiwania masy ładunku TNT dla której kontener nie rozerwie się. Dla 20 kg TNT kontener ulega uszkodzeniu. Rys Odkształcenia plastyczne kontenera dla 0,5 kg TNT Niestety jeśli ładunek będzie umieszczony na podłodze w jednym z rogów kontenera fala ciśnienia odbita od ścian i podłogi będzie na tyle duża, że spowoduje rozerwanie drewnianej podłogi kontenera (Rys. 15) Rys. 12. Zniszczenie kontenera przy ładunku 20 kg TNT Dla 10 kg TNT kontener ulega również całkowitemu uszkodzeniu natomiast dopiero dla 1kg TNT uszkodzenie jest częściowe (Rys. 13) przy ciśnieni maksymalnym pmax=59 MPa. Rys. 15. Uszkodzenie kontenera dla 0,5 kg TNT przy ładunku umieszczonym na podłodze w rogu Uzyskane wyniki potwierdza materiał przedstawiony na (Rys. 16), gdzie widać, że dla 1 kg TNT nastąpiło podobne odkształcenie kontenera jak na Rys. 13 i wyrwanie drzwi. 640

6 Logistyka - nauka Rys. 16. Częściowe uszkodzenie kontenera przy ładunku 1 kg TNT Źródło: /watch?v=kkydfnneh2g Rys. 18. Fala odbita. Na wykresach max. ciśnienie wstępujące w węźle 4903 ściany bocznej kontenera pi=0,075 [MPa], ciśnienie odbite p=0,175 [MPa] przy pmax=1,3 [MPa]. Widoczny efekt fali odbitej od dna i fali Macha jako superpozycja fali odbitej i odbitej od dna. Widok dla wybuchu ładunku 0,1 kg TNT w czasie t=0,006 [s]. \ Analiza wyników symulacji wybuchu Wysokie wartości ciśnienia maksymalnego pmax wymagają komentarza. W symulacji otrzymujemy wszystkie informacje dotyczące fali ciśnienia i ciśnienia w strukturze na którą ono działa. W przypadku wartości pmax jest to maksymalne ciśnie w punkcie detonacji. Ciśnieni spada bardzo gwałtownie z odległością zgodnie z zależnością Friedlandera dlatego też wartości ciśnienia na ścianach kontenera będą o rząd lub kilka rzędów niższe. Co więcej ciśnienie wstępujące (Rys. 17) jest 2-8 razy niższe [5] od ciśnienia odbitego (Rys. 18) z kolei ciśnienie obliczone dla materiału kontenera obciążonego ciśnieniem fali odbitej będzie jeszcze inną wartością już o charakterze falowym (Rys. 19), która ostatecznie prowadzi do wartości naprężenia zredukowanego, które wskazuje na wytrzymałość materiału. Rys. 17. Fala wstępujące. Na wykresach max. ciśnienie wstępujące w węźle 4903 ściany bocznej kontenera pi=0,075 [MPa], ciśnienie odbite p=0,175 [MPa] przy pmax=1,3 [MPa]. Widoczny efekt fali odbitej od dna i fali Macha jako superpozycja fali wstępującej i odbitej od dna. Widok dla wybuchu ładunku 0,1 kg TNT w czasie t=0,003 [s]. Rys. 19. Ciśnienie na ścianach kontenera. Na wykresach max. ciśnienie w węźle 4903 ściany bocznej kontenera p=-75 [MPa], max. naprężenie zredukowane σ=230 [MPa] oraz odkształcenie plastyczne ε=0 [-]. Widok dla wybuchu ładunku 0,1 kg TNT w czasie t=0,0014 [s]. Rys. 20. Naprężenie zredukowane. Na wykresach max. ciśnienie w węźle 4903 ściany bocznej kontenera p=-75 [MPa], max. naprężenie zredukowane σ=230 [MPa] oraz odkształcenie plastyczne ε=0 [-]. Widok dla wybuchu ładunku 0,1 kg TNT w czasie t=0,0014 [s]. 641

7 Logistyka - nauka możliwe. Metody komputerowe, choć ich użycie wymagają specjalistycznej wiedzy, są dziś też używane z powodzeniem w dziedzinach innych niż techniczne. Streszczenie Rys. 21. Odkształcenie plastyczne. Na wykresach max. ciśnienie w węźle 4903 ściany bocznej kontenera p=-75 [MPa], max. naprężenie zredukowane σ=230 [MPa] oraz odkształcenie plastyczne ε=0 [-]. Widok dla wybuchu ładunku 0,1 kg TNT w czasie t=0,0014 [s]. Ostatecznie dzięki symulacją możemy prognozować rejony fali odbitej od dna - 3, odbitej - 2, wstępującej-1 oraz rejon bez obciążenia falą - 0 i czas w którym pojawiają się odpowiednia 0, 1, 2. W artykule zaprezentowano wykorzystanie symulacji komputerowej Metody Elementów Skończonych (MES) w zakresie modelowania odporności na wybuch kontenerów transportowych. Coraz większa liczba przewożonych kontenerów drogą morską, lotniczą czy lądową stwarza większe i nowe problemy bezpieczeństwa przewozu i obsługi logistycznej kontenerów [1]. Ukryte i przewożone, nawet zgodnie z prawem np. w ramach akcji humanitarnych, w pojedynczych kontenerach, kontenerowcach czy konwojach ładunki niebezpieczne po ich dystrybucji logistycznej w głąb lądu lub za granicę mogą stanowić dogodne miejsca dla zrealizowania łatwego do przewidzenia scenariusza zagrożenia terrorystycznego. Nie spotyka się analiz odporności kontenerów na wybuch i ich możliwości ochronnych. W pracy przeprowadzono symulację komputerową wybuchu dla pojedynczego kontenera jak również dla grupy załadunkowej np. na kontenerowcu. Wskazano skalę jak i strefę zniszczenia oddziaływania ładunku kg TNT. Analiza odporności kontenerów na wybuch wydaje się być uzasadniona głównie dla zwiększenia świadomości o zagrożeniach oraz skuteczniejszej przed nimi ochrony w logistyce. Abstract Rys. 22. Rejony objęte falą odbitą od dna 3, odbitą 2 i wstępującą 1. Widok dla wybuchu ładunku 0,1 kg TNT w czasie t=0,006 [s]. 642 Wnioski Podsumowując w kontenerze ukryta walizka z ładunkiem TNT o masie 2,5 kg spowoduje rozerwanie kontenera. W zależności od ładunku kontenera - towaru jaki się w nim znajduje - efekt wybuchu może być osłabiony (piach, papier, guma, gąbka) lub spotęgowany (elementy budowlane, metalowe). W ataku terrorystycznym z wykorzystaniem kontenerów nie będą brane raczej pod uwagę ładunki o masie mniejszej niż 0,5 kg TNT, dlatego też każdy ładunek wybuchowy spowoduje duże zniszczenia kontenera. Wypełnienie choćby jednego całego kontenera ładunkiem TNT jest zagrożeniem dla bardzo dużych obszarów o zasięgu kilku kilometrów. Zaprezentowane symulacje miały na celu zachęcenie do stosowanie metod komputerowych w logistyce a dzięki bardzo szybkiemu rozwojowi komputerów i oprogramowania CAD/CAE jest to The article presents the use of computer simulation Finite Element Analysis (FEA) modeling of resistance to explosion and puncture transport containers. An increasing number of containers transported by sea, air or land creates more security problems and new transport and logistics containers [1]. Concealed and transported, even according to the law, for instance within the framework of humanitarian action, in individual containers, container ships or convoys on their dangerous goods logistics distribution inland or abroad can be a convenient place for carrying out the easy to predict terrorist threat scenario. Does not meet the tests of resistance to the outbreak of containers and their protective capacity. The study was carried out computer simulation for a single explosion of the container as well as the loading of the example. Scale indicated in a container and impact loads destruction zone kg of TNT. Analysis of resistance of container to the outbreak appears to be justified mainly to raise awareness about the dangers and effective protection against them in logistics. Literatura 1. Hajduk J., Tytuł, Bezpieczeństwo transportu kontenerów na statkach morskich, Akademia Morska w Szczecinie, 2014, Logistyka Nago T., Blast Loading and Blast Effects on Structures An Overview, The University of

8 Logistyka - nauka Melbourne, Australia, 2007, EJSE Special Issue: Loading on Structures. 3. Draganić H., Sigmund V., Blast loading on structures, Djelovanje eksplozija na konstrukcije, 2012, Technical Gazette 19, 3, Małachowski J., Modelowanie I badania interakci ciało stałe gaz przy oddziaływaniu impulsu ciśnienia na elementy konstrukcji rurociągu, 2010, Warszawa. 5. Dacko A., Zagadnienia modelowania i symulacji numerycznej dynamiki struktur obciążonych falą uderzeniową wybuchu, 1998, Springer. 6. Dobrociński S., Stabilność rozwiązań odporności udarowej konstrukcji, 2000, AMW Gdynia. 643